CN102034911A - 发光元件 - Google Patents

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CN102034911A CN2010102250681A CN201010225068A CN102034911A CN 102034911 A CN102034911 A CN 102034911A CN 2010102250681 A CN2010102250681 A CN 2010102250681A CN 201010225068 A CN201010225068 A CN 201010225068A CN 102034911 A CN102034911 A CN 102034911A
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CN2010102250681A
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今野泰一郎
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Abstract

一种发光元件，包括：半导体衬底；发光部，其具有第一传导类型的第一包覆层、具有传导类型不同于第一包覆层的第二传导类型的第二包覆层以及夹在第一包覆层和第二包覆层之间的有源层；反射部，其用于反射从有源层发出的光，所述反射部设置在半导体衬底和发光部之间并且具有1.7μm至8.0μm的厚度；电流扩散层，其设置在发光部的与反射部相对的一侧上，并且在其表面上具有凹凸部，其中形成反射部以具有至少三个成对的层，所述成对的层是由第一半导体层和不同于第一半导体层的第二半导体层形成的。

Description

发光元件
相关申请的交叉参考
本申请基于2009年10月5日提交的日本专利申请No.2009-231157，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种发光元件。特别地，本发明涉及包括对于由有源层发出的光不透明的半导体衬底和设置在半导体衬底和有源层之间的反射部以便具有不小于预定值的厚度的发光元件。
背景技术
在现有技术中，已知有一种发光元件，其包括n型GaAs衬底，在n型GaAs衬底上设置的光反射层，在光反射层上设置的n型Al0.45Ga0.55As包覆层，在n型Al0.45Ga0.55As包覆层上设置的p型GaAs有源层，在p型GaAs有源层上设置的p型Al0.45Ga0.55As包覆层，以及在p型Al0.45Ga0.55As包覆层上设置的p型GaAs保护层，并且其中，光反射层具有n型AlAs/n型AlxGa1-xAs的叠层结构，该叠层结构以具有顺序变化的膜厚度的脉冲形状(chirp shape)形成，并限定了改变的厚度比率、叠层数和混晶比率之间的关系，该关系允许获得预定的反射波长带和反射系数。例如，在JP-A-5-37017(JP-A1993-37017)中公开了上述技术。
在JP-A-5-37017中描述的发光元件具有能够通过光波干涉来反射在衬底一侧上行进的光由此能够提高发光输出的光反射层。
然而，尽管在JP-A-5-37017中描述的发光元件能够通过光反射层的单一主体扩大反射波长范围，但是如果光反射层具有不小于预定值的厚度，则不能增加发光输出，这与使用不具有脉冲形状的光反射层的情形相类似。因此，JP-A-5-37017中描述的发光元件公开了改变的厚度比率DD优选地为大约0.1至0.15，如果标准厚度被限定为T，成对的层的厚度优选地为T(1-DD)和T(1+DD)，限定并且光反射层的叠层数的个数优选地为20至30。这里，在JP-A-5-37017中描述的发光元件的组成中，如果光发射波长被设定为631nm，则光反射层的厚度大约为2至3μm。即，如果发反射层的厚度不小于2μm，则在JP-A-5-37017中描述的发光元件中对于发光输出的提高变为饱和，故对于发光输出的提高存在限制。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题并且提供一种发光元件，即使反射层具有不小于预定值的厚度，该发光元件仍能够依照反射层厚度的增加而提高发光输出。
(1)根据本发明的一个实施例，一种发光元件，包括：
半导体衬底；
发光部，具有第一传导类型的第一包覆层、传导类型不同于第一传导类型的第二传导类型的第二包覆层以及夹在第一包覆层和第二包覆层之间的有源层；
反射部，用于反射从有源层发出的光，所述反射部设置在半导体衬底和发光部之间并且具有1.7μm至8.0μm的厚度；以及
电流扩散层，设置在发光部的与反射部相对的一侧上，并且在电流扩散层表面上具有凹凸部，其中形成反射部以具有至少三个成对的层，所述成对的层是由第一半导体层和不同于第一半导体层的第二半导体层形成的，
当从有源层发出的光的峰值波长是λP、第一半导体层的折射率是nA、第二半导体层的折射率是nB、第一包覆层的折射率是nIn并且第二半导体层上光的入射角是θ时，第一半导体层具有由公式(1)限定的厚度TA，
第二半导体层具有由公式(2)限定的厚度TB，和
当公式(1)和(2)中光的入射角θ的值对于每个成对的层彼此不同时，反射部的多对成对的层相应地具有彼此不同的厚度，并且至少一个成对的层包括由不小于50度的光的入射角θ限定的第一半导体层和第二半导体层，
T A = λ P 4 n A 1 - ( n In sin θ n A ) 2 . . . . . . ( 1 )
T B = λ P 4 n B 1 - ( n In sin θ n B ) 2 . . . . . . ( 2 ) .
在上述实施例(1)中，还可作出下列变形和改变。
(i)反射部具有不少于15对成对的层。
(ii)成对的层包括具有不小于1.5倍λp/4nA的厚度TA的第一半导体层和不小于1.5倍λp/4nB的厚度TB的第二半导体层。
(iii)第一半导体层是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，而第二半导体层是由AlyGa1-yAs形成的，其中0≤y≤1，并且所述第二半导体层具有与第一半导体层的折射率不同的折射率。
(iv)位于半导体衬底的一侧的反射部的第一成对的层或第一和第二成对的层处的第一半导体层是由AlAs形成的，位于半导体衬底的一侧的反射部的第一成对的层或第一和第二成对的层处的第二半导体层是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，并且具有小于构成有源层的半导体的带隙能量，或是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，并且对于从有源层发出的光是不透明的，并且位于半导体衬底的一侧的反射部的第三成对的层或后续的成对的层处的第一半导体层和第二半导体层是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，并且对于从有源层发出的光是透明的。
(v)第一半导体层和第二半导体层是由(AlxGa1-x)yIn1-yP形成的，其中0≤x≤1，0.4≤y≤0.6，并且具有彼此不同的折射率。
(vi)第一半导体层是由(AlxGa1-x)yIn1-yP形成的，其中0≤x≤1，0.4≤y≤0.6，而第二半导体层是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，或是第一半导体层是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，而第二半导体层是由(AlxGa1-x)yIn1-yP形成的，其中0≤x≤1，0.4≤y≤0.6。
(vii)电流扩散层包括具有彼此不同的载流子浓度或杂质浓度的第一电流扩散层和第二电流扩散层，在电流扩散层的表面侧形成第二电流扩散层，以使第二电流扩散层的载流子浓度或杂质浓度高于第一电流扩散层的载流子浓度或杂质浓度。
(viii)所述发光元件进一步包括：表面电极，其形成在电流扩散层的表面上；以及出光层，其形成在电流扩散层的除形成有表面电极的区域之外的表面上，从而由对于有源层发出的光透明的并且具有处在构成电流扩散层的半导体和空气之间的中间等级的折射率的材料形成。
(ix)当有源层发出的光的波长是λP，构成出光层的材料的折射率是n，并且A是常数时，出光层40具有由公式A×λP/(4×n)限定的值的±30％范围内的厚度d，其中A是奇数。
本发明的优点
根据本发明，即使反射层具有不小于预定值的厚度，发光元件仍能够依照反射层厚度的增加而提高发光输出。
附图说明
下面，将结合附图更加详细地描述根据本发明的优选实施方式，其中：
图1A是示意性地示出了根据本发明的第一实施例的发光元件的截面图；
图1B是示意性地示出了根据本发明的第一实施例的发光元件中包括的反射部的截面图；
图1C是示意性地示出了根据本发明的第一实施例的发光元件的平面图；
图2是示意性地示出了根据本发明的第二实施例的发光元件的截面图；
图3是示意性地示出了根据本发明的第三实施例的发光元件的截面图；
图4A是示意性地示出了根据本发明的示例1的发光元件中包括的反射部的简化结构的截面图；
图4B是示意性地示出了根据本发明的示例1的发光元件中包括的反射部的简化结构的反射光谱的曲线图；
图5A是示意性地示出了具有0°DBR层的发光元件中包括的反射部的简化结构的截面图；
图5B是示意性地示出了具有0°DBR层的发光元件中包括的反射部的简化结构的反射光谱的曲线图；
图6是示意性地示出了在对示例1中使用的外延晶片(epitaxial wafer)施加粗化处理时的蚀刻时间和表面粗糙度(特别的，Ra和RMS)之间关系的曲线图；
图7是示意性地示出了在对示例1中使用的外延晶片施加粗化处理时的蚀刻时间和表面粗糙度(特别的，Ry)之间关系的曲线图；
图8是示意性地示出了示例1a至1j中反射部的厚度和发光输出之间的关系的曲线图；
图9是示意性地示出了根据示例2的发光元件的截面图；
图10是示意性地示出了根据示例3的发光元件的发光部的截面图；
图11是示意性地示出了根据比较例1的发光元件的发光部的截面图；以及
图12是示意性地示出了由于比较例1的反射部的厚度差所导致的发光输出的变化的曲线图。
具体实施方式
关于实施例的小结
根据本发明的实施例的发光元件包括：半导体衬底；具有第一传导类型的第一包覆层的发光部；第二传导类型的第二包覆层，其传导类型不同于第一包覆层；和有源层，其被第一包覆层和第二包覆层夹在中间；反射部，其用于反射由有源层发出的光，并且设置在半导体衬底和发光部之间，以具有1.7μm至8.0μm的厚度；以及电流扩散层，其设置在与反射部相反的发光部的侧面上，并且其表面具有凹凸部，其中形成有反射部，以便具有由第一半导体层和不同于第一半导体层的第二半导体层所形成的至少三个成对的层，当由有源层发出的光的峰值波长是λp，第一半导体层的折射率是nA，第二半导体层的折射率是nB，第一包覆层的折射率是nIn，并且第二半导体层的光的入射角是θ时，第一半导体层具有由公式(1)限定的厚度TA，而第二半导体层具有由公式(2)限定的厚度TB，并且由于对于各个成对的层在公式(1)和(2)中光的入射角θ的值不同，反射部的多个成对的层相应地具有不同的厚度，并且至少一个成对的层包括由不小于50度的光的入射角θ限定的第一半导体层和第二半导体层。
第一实施例
图1A是示意性地示出了根据本发明的第一实施例的发光元件的截面图，而图1B是示意性地示出了根据本发明的第一实施例的发光元件中包括的反射部的截面图。进而，图1C是示意性地示出了根据本发明的第一实施例的发光元件的平面图。
发光元件1的总体结构
作为示例，发光元件1是发出具有接近631nm的峰值波长(λP)的红色光的发光二极管(LED)。详细地，发光元件1包括作为第一传导类型的n型半导体衬底10，在半导体衬底10上设置的n型缓冲层200，设置在n型缓冲层200上从而具有n型复合半导体的层叠结构的反射部210，在反射部210上设置的n型第一包覆层220，在第一包覆层220上设置的有源层222，在有源层222上设置的作为与第一传导类型不同的第二传导类型的p型第二包覆层224，在第二包覆层224上设置的p型中间层230，以及在中间层230上设置的以在表面(即出光表面)上具有凹凸部250的p型电流扩散层240。
另外，发光元件1还包括在电流扩散层240中除设置了凹凸部250的区域之外的区域中的预定位置形成的表面电极30，和在半导体衬底10上与设置了缓冲层200的表面相对的表面(即半导体衬底10的后表面)上设置的后表面电极35。在本实施例中，设置有源层222，以使有源层222被第一包覆层220和第二包覆层224夹在中间，且在下文中，n型第一包覆层220、有源层222和第二包覆层224可以整体地称作发光部20。进而，发光元件1可以进一步包括在表面电极30上的作为压焊焊盘的焊盘电极。
半导体衬底10
作为半导体衬底10，可以使用例如包括预定传导类型的载流子并具有预定载流子浓度的GaAs衬底。另外，具有预定斜角(off-angle)的斜角(off)衬底或无斜角的平坦(just)衬底也可用作半导体衬底10。进而，根据形成在半导体衬底10上的多个复合半导体层的类型，可以适当地改变构成半导体衬底10的复合半导体材料。
反射部210
在半导体衬底10和发光部20之间设置反射部210，以使反射部210反射从有源层222发射出的光。反射部210是由半导体材料构成，例如，AlxGa1-xAs，其中，0≤x≤1，其具有大于构成有源层222的半导体材料的带隙能量，对于从有源层222发出的光是透明的，并且几乎是与有源层222和半导体衬底10是晶格匹配的。此外，反射部210优选的具有1.7μm至8.0μm的厚度。
特别的，如图1B所示，形成反射部210以具有多个复合半导体的层叠结构。此外，还形成反射部210以具有多个成对的层(pair layer)，该成对的层由第一半导体层210a和折射率与第一半导体层210a的折射率不同的第二半导体层210b构成。形成反射部210以具有至少3对，优选地不少于15对的成对的层。第一半导体层210a可以由例如AlxGa1-xAs形成，其中0≤x≤1，而第二半导体层210b可以由例如AlyGa1-yAs形成，其中0≤y≤1。形成第一半导体层210a和第二半导体层210b以使二者具有互为不同的折射率。进而，当第一半导体层210a由AlGaAs形成时，控制第一半导体层210a的Al的“x”的组成比率使其与第二半导体层210b的Al的成分“y”的组成比率不同。
另外，形成第一和第二半导体层210a、210b以使两者具有对应于下面说明的光的入射角的厚度，然而在图1B中，为了方便说明，将它们显示为具有几乎相同的厚度。此外，第一和第二半导体层210a、210b还可由(AlxGa1-x)In1-yP形成，其中0≤x≤1，0.4≤y≤0.6，并且两者具有不同的折射率。进而，第一半导体层210a还可由(AlxGa1-x)In1-yP形成，其中0≤x≤1，0.4≤y≤0.6，而第二半导体层210b由AlxGa1-xAs形成，其中0≤x≤1；或是第一半导体层210a还可由AlxGa1-xAs形成，其中0≤x≤1，而第二半导体层210b由(AlxGa1-x)In1-yP形成，其中0≤x≤1，0.4≤y≤0.6。
这里，反射部210中包括的多个成对的层中的每一个都反射从有源层222发出的波长不小于发光峰值波长的光，并且分别反射彼此之间具有不同入射角的光。特别的，当从有源层222发出的光的峰值波长是λP，第一半导体层210a的折射率是nA，第二半导体层210b的折射率是nB，第一包覆层220的折射率是nIn，而至第二半导体层210b的光的入射角是θ时，第一半导体层210a形成有由下面给出的公式(1)限定的厚度TA。此外，还可形成第二半导体层210b以具有由如下给出的公式(2)限定的厚度TB。
T A = λ P 4 n A 1 - ( n In sin θ n A ) 2 . . . . . . ( 1 )
T B = λ P 4 n B 1 - ( n In sin θ n B ) 2 . . . . . . ( 2 )
形成多个成对的层中的一个成对的层所包括的第一半导体层210a以具有对应于光入射到这个成对的层的光的入射角θ的、根据公式(1)计算得到的厚度。相似的，也形成一个成对的层所包括的第二半导体层210b以具有对应于入射角θ的、根据公式(2)计算得到的厚度。相似的，也形成多个成对的层中包括的另一个成对的层以具有第一和第二半导体层210a、210b，第一和第二半导体层210a、210b都具有对应于光入射到该另一个成对的层的入射角θ的厚度。另外，优选的，成对的层包括具有不小于1.5倍λp/4nA的厚度TA的第一半导体层210a和不小于1.5倍λp/4nB的厚度TB的第二半导体层210b。
这里，在该实施例中，形成反射部210以具有至少3个成对的层。由于对于每个成对的层而言公式(1)和(2)中θ的值都是不同的，故多个成对的层中的每一个都具有彼此不同的厚度。例如，形成一个成对的层以具有不同于另一成对的层的厚度。如果将一个成对的层中θ的值限定为θa并且将另一个成对的层中θ的值限定为θb，则一个成对的层中包括的第一半导体层210a和第二半导体层210b的厚度可利用θa的值通过公式(1)和(2)计算得到，并且另一个成对的层中包括的第一半导体层210a和第二半导体层210b的厚度可利用不同于θa的θb的值通过公式(1)和(2)计算得到。另外，形成至少一个成对的层，其包括具有不小于50度的θ的值限定的厚度的第一半导体层210a和第二半导体层210b，从而除了直接入射光之外，可在反射部210的出光表面的方向上反射从发光部20进入反射部210的光。根据该实施例的发光元件1包括如上所述的反射部210，从而即使从有源层222发出的光以各种入射角进入反射部210，仍可在反射部210的出光表面的方向上反射光。
此外，优选地，处在从半导体衬底10的侧面的反射部210的第一成对的层或第一和第二成对的层中的第一半导体层210a是由AlAs形成的。在这个示例中，优选地，处在从半导体衬底10的侧面的反射部210的第一成对的层或第一和第二成对的层中的第二半导体层210b是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，并且具有小于构成有源层222的半导体的带隙能量，或是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，并且对于从有源层222发出的光是不透明的。另外，在这个示例中，优选地，处在从半导体衬底10的侧面的反射部210的第三成对的层或后续的成对的层中的第二半导体层210b是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，并且对于从有源层222发出的光是透明的。
发光部20
发光部20包括第一包覆层220、有源层222和第二包覆层224。首先，将缓冲层200设置为接触半导体衬底10。例如，如果半导体衬底10是由n型GaAs层形成的，则缓冲层200是由n型GaAs层形成的。此外，第一包覆层220、有源层222和第二包覆层224分别是由例如例如(AlXGa1-X)yIn1-yP代表的III族复合半导体材料中的三种成分或四种成分形成的，其中0≤x≤1，0≤y≤1。此外，第一实施例中使用的有源层222还可由例如非掺杂的GaXIn1-xP的单层形成的，其中0≤x≤1。
中间层230
在构成第二包覆层224的半导体材料不同于构成电流扩散层240的半导体材料的情形下，中间层230是由能够减小第二包覆层224和电流扩散层240之间的界面的势垒的半导体材料形成的。特别地，在第二包覆层224和电流扩散层240之间设置中间层230。更特别地，在第二包覆层224与有源层222相对的侧面设置中间层230，并且其是由具有构成第二包覆层224的半导体材料的带隙能量和构成电流扩散层240的半导体材料的带隙能量之间的中间等级的带隙能量的半导体材料形成的。例如，中间层230是由p型GazIn1-zP形成的，其中例如0.6≤z≤0.9。发光元件1包括中间层230以便降低发光元件1的前向电压。
电流扩散层240
在发光部20的与反射部210相对的侧面设置电流扩散层240，即在发光部20和表面电极30之间设置电流扩散层240，这使得提供给发光元件1的电流会被发散，以使电流几乎均匀地提供给有源层222。此外，电流扩散层240是由发送从有源层222发出的光的半导体材料形成的。例如，电流扩散层240可以由p型GaP、p型GaAsP、或P型AlGaAs形成。电流扩散层240在除了形成表面电极30的区域的表面上具有凹凸部250。
凹凸部250
通过固化电流扩散层240的与发光部20相对的表面来形成凹凸部250。通过使用预定的蚀刻剂的蚀刻处理来形成凹凸部250以具有随机形状。此外，凹凸部250还可在表面上形成有预定的图案。进而，优选地，为了提高发光元件1的出光效率，凹凸部250具有不小于0.04μm并且不大于0.25μm的算术平均粗粗度Ra和不小于0.05μm并且不大于0.35μm的平方平均粗粗度RMS。进而，优选地，凹凸部250还具有不小于1.0μm并且不大于3.0μm的最大高度Ry。
表面电极30和后表面电极35
表面电极30是由与电流扩散层240欧姆接触的材料制成的。特别的，形成表面电极30以包括从由Be、Zn、Ni、Ti、Pt、Al、Au等构成的组中所选择的用于p型电极的至少一种金属材料。例如，可形成表面电极30以具有层叠结构，即AuBe、Ni和Au以从电流扩散层240的侧面按照这样的顺序堆叠起来。进而，表面电极30设置在电流扩散层240的与中间层230相对的表面上，即在发光元件1的出光表面的一部分上。如图1C所示，在发光元件1的顶面上，形成表面电极30以具有几乎是环形形状的环形部30a和从环形部30a延伸至发光元件1的四个角的四个分支部30b。
后表面电极35是由与半导体衬底10欧姆接触的材料制成的。特别的，形成后表面电极35以包括从由Ge、Ni、Ti、Pt、Al、Au等构成的组中所选择的用于n型电极的至少一种金属材料。例如，后表面电极35可形成有层叠结构，即AuGe、Ni和Au以从半导体衬底10的侧面按照这样的顺序堆叠起来。进而，后表面电极35形成在半导体衬底10的几乎整个后表面上。
变形例
根据第一实施例的发光元件1包括半导体衬底10上的缓冲层200，但是根据第一实施例的变形例的发光元件可形成为不包括缓冲层200。
此外，根据第一实施例的发光元件1发射包括红色的光(例如，具有630nm波段的发光波长的光)，但是由发光元件1发出的光的波长并不局限于上述波长。还可形成发光元件1以通过控制有源层222的结构来发出具有预定波长范围的光。由有源层222发出的光包括具有诸如红色、橙色、黄色或绿色等波长范围的光。此外，发光元件1包括的发光部20可由InAlGaN复合半导体制成，该复合半导体包括可发射紫外区域、紫色区域或蓝色区域的光。
进而，发光元件1包括的半导体衬底10、缓冲层200、反射部210、第一包覆层220、第二包覆层224、中间层230和电流扩散层240的复合半导体层可具有与第一实施例的传导类型相反的、构成复合半导体层的复合半导体的传导类型。例如，半导体衬底10、缓冲层200、反射部210和第一包覆层220的传导类型可被设定为p型，而第二包覆层224、中间层230和电流扩散层240的传导类型可被设定为n型。
此外，还可形成有源层以具有量子阱结构。可由单个量子阱结构、多个量子阱结构或应变的多个量子阱结构来形成量子阱。可形成发光部20以包括不同于第一包覆层220、有源层222和第二包覆层224的半导体层。
此外，还可形成表面电极30以具有诸如矩形形状、菱形形状、多边形形状等形状。
发光元件1的制造方法
例如，按照如下方法制造根据第一实施例的发光元件1。首先，制备半导体衬底10。例如，通过金属有机物气相外延(MOVPE)方法(生长处理)在半导体衬底10上形成包括多个复合半导体层(即，缓冲层200、反射层210、第一包覆层220、有源层222、第二包覆层224、中间层230和电流扩散层240)的III-V族复合半导体的半导体层叠结构。由此，可制造出外延晶片。
这里，在如下条件下执行使用MOVPE方法来形成半导体层叠结构，即分别将半导体层叠结构中包括的多个复合半导体层的生长温度、生长压力、以及每一层的生长速度和每个V/III比率都设定为预定值。进而，V/III比率表示诸如三氢砷化(AsH3)、三氢化磷(PH3)等V族材料与诸如三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)等III族材料的摩尔比率。
此外，有机金属复合物可被用作MOVPE方法中使用的材料。例如，可分别使用三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)作为Ga材料，三甲基铝(TMAl)作为Al材料，并且三甲基铟(TMIn)作为In材料。此外，还可分别使用三氢砷化(AsH3)作为As源、诸如三氢化磷(PH3)等氢化物气体作为P源。进而，硒化氢(H2Se)、乙硅烷(Si2H6)可被用作n型掺杂剂材料。并且双环戊二烯基镁(Cp2Mg)可被用作p型掺杂剂材料。
此外，甲硅烷(SiH4)、二乙茎甲苯酰胺(DETe)或二甲基碲(DMTe)可被用作n型掺杂剂材料。并且二甲基锌(DMZn)或二乙基锌(DEZn)可被用作p型掺杂剂材料。
进而，通过在半导体衬底10上形成缓冲层200，可消除残留在MOVPE中最后晶体生长(即，高炉记忆(furnace memory)的影响)使用的掺杂剂的影响。由此，可以稳定地制造出外延晶片。此外，通过在半导体衬底10上外延生长缓冲层200，可提高在缓冲层200上外延生长的复合半导体层的结晶性。
接下来，通过使用光刻方法和诸如真空沉积方法、喷射方法(表面电极形成处理)的膜形成方法在外延晶片的表面(即对电流扩散层240的一部分表面)上形成表面电极30。进而，还使用剥离方法以形成表面电极30。随后，在半导体衬底10的几乎整个后表面上形成后表面电极35。进而，在预定的环境下执行合金处理，例如，在诸如氮环境等惰性环境下，以预定的温度在预定的时间内执行合金处理，以使表面电极30和电流扩散层240、以及后表面电极35和半导体衬底10的后表面彼此之间欧姆接触。
随后，对电流扩散层240的表面施加凹凸处理，即粗化处理，以便形成凹凸部250(凹凸部形成处理)。在实施例中，在形成了表面电极30之后执行粗化处理。通过使用预定的蚀刻剂的蚀刻处理，对电流扩散层240的除了形成有表面电极30以外的表面执行粗化处理。进而，还可采用的方法是，通过使用光刻方法，在电流扩散层240的表面上形成预定的掩模图案，随后通过使用形成为掩模的掩模图案对电流扩散层240的表面施加蚀刻处理。
接下来，对应于将要制造的发光元件1的大小，切割形成有表面电极30和后表面电极35的外延晶片，从而制造出多个发光元件1(切割处理)。特别的，对应于将要制造的发光元件1的大小，通过方块切割设备(dicing device)将多个表面电极30中的区域切割成方块。进而，在方块切割处理之后，还对多个发光元件1的边缘表面施加蚀刻处理，从而去除由于方块切割处理所带来的机械损伤。
如上所述制造出的发光元件1例如是可发出接近631nm发光波长的红色区域的光的发光二极管(LED)。并且发光元件1具有在俯视图上几乎为矩形的形状，并且作为示例，俯视图的尺寸可以是275μm的正方形。
第一实施例的优点
根据第一实施例的发光元件1包括反射部210，其具有由第一半导体层210a和第二半导体层210b所形成的多个成对的层，其中第一半导体层210a和第二半导体层210b的厚度都是控制为对应于多个入射角的，从而即使光以多种入射角进入到反射部210，反射部210仍可将光反射到出光表面侧。进而，发光元件1包括出光表面上的凹凸部250，从而由反射部210反射的光可以有效地提取到发光元件1的外部。由此，可提供具有提高的出光效率的发光元件1。进而，通过调节反射部210中包括的多个半导体层的组成，根据本实施例的发光元件1可基于反射部厚度的增加相应地提高发光输出。
此外，根据第一实施例的发光元件1具有出光表面上形成的凹凸部250，从而它可以有效地提取来自出光表面的光，即使是由具有由公式(1)和(2)中角度θ的较大值所限定的厚度的第一半导体层210a和第二半导体层210b的成对的层所反射的光。由此，与例如反射部210仅是由对应于有源层222发出的光的峰值波长的光的半导体层形成的情形相比较，根据第一实施例的发光元件1可提高发光输出。结果，根据本实施例，无需增长由于半导体衬底10上生长的复合半导体层的总个数所引起的材料和生长时间的增加所带来的制造成本，即可提供具有高发光输出的发光元件1。
第二实施例
图2是示意性地示出了根据本发明的第二实施例的发光元件的截面图。
除了根据第二实施例的发光元件1a进一步包括凹凸部250上的出光层40之外，它包括几乎与根据第一实施例的发光元件1相同的组成，两者区别仅在于凹凸部250上的出光层40。因此除了不同点之外不再对其进行详细说明。
发光元件1a包括在电流扩散层240的除形成有表面电极30的区域之外的表面上形成的出光层40，从而由对于有源层222发出的光透明的并且具有处在构成电流扩散层240的半导体和空气之间的中间等级的折射率的材料形成。当有源层222发出的光的波长是λP，构成出光层40的材料的折射率是η，并且A是常数时，其中A是奇数，形成出光层40以具有由公式A×λP/(4×n)限定的值的±30％范围内的厚度d。
出光层40可由绝缘材料或是第一或第二传导类型的氧化物或氮化物形成。出光层40可由例如诸如SiN、SiO2、ITO、Sn2O3、TiO2、ZnO等氧化物或氮化物形成。进而，构成出光层40的材料无需具有导电性。进而，构成出光层40的材料可具有p型和n型传导中的任一种。
发光元件1a包括在电流扩散层240的表面和外部空气之间形成的并且具有处在构成电流扩散层240的半导体和空气之间的中间等级的折射率的出光层40，从而可进一步提高发光元件1a的出光效率。
第三实施例
图3是示意性地示出了根据本发明的第三实施例的发光元件的截面图。
除了有源层222夹在第一未掺杂层221和第二未掺杂层223之间之外，根据第三实施例的发光元件1b包括几乎与根据第一实施例的发光元件1相同的组成，两者区别仅在于此。因此除了不同点之外不再对其进行详细说明。
特别的，根据第三实施例的发光元件1b包括半导体衬底10、半导体衬底10上设置的缓冲层200、缓冲层200上设置的反射部210、反射部210上设置的第一包覆层220、第一包覆层220上设置的第一未掺杂层221、第一未掺杂层221上设置的有源层222、有源层222上设置的第二未掺杂层223、第二未掺杂层223上设置的第二包覆层224、第二包覆层224上设置的中间层230、以及中间层230上设置的电流扩散层240。
第一未掺杂层221防止第一包覆层220中的n型掺杂剂扩散到有源层222当中。此外，第二未掺杂层223防止第二包覆层224中的p型掺杂剂扩散到有源层222当中。第一未掺杂层221和第二未掺杂层223例如是由不包括掺杂剂的(AlxGa1-x)yIn1-yP形成的。有源层222夹在第一未掺杂层221和第二未掺杂层223之间，以便防止掺杂剂从第一包覆层220和第二包覆层224扩散到有源层222，结果，可提高发光部20a的发光效率并且可以延长发光元件1b的使用寿命。
进而，根据第三实施例的发光元件1b被设计为具有夹在第一未掺杂层221和第二未掺杂层223之间的结构，但是第三实施例的变形例还可被设计为具有不形成第一未掺杂层221和第二未掺杂层223中任意一个的结构的发光元件。
示例
示例1
将对应于根据第一实施例的发光元件1并且发出具有接近631nm的发光波长的红色光的发光元件制造成根据示例1的发光元件。特别的，首先，通过对具有和半导体衬底10呈15°斜角的n型GaAs衬底使用MOVPE方法，外延生长由n型GaAs形成的缓冲层(掺杂有Se，并且具有1×1018/cm3的载流子浓度和200nm的膜厚度)、以及包括由作为第一半导体层210a的AlAs层和作为第二半导体层210b的Al0.5Ga0.5As层形成的成对的层的反射部。构成反射部210的每个半导体层都被控制为具有几乎1×1018/cm3的载流子浓度。进而，如下所述，将分别具有在组成上不同地变化的反射部210的九个不同的发光元件制造成根据示例1的发光元件。下面将会说明反射部210的组成上的细节。
接下来，在反射部210上，顺序地外延生长作为n型第一包覆层220的n型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P包覆层(掺杂有Se，并且具有4×1017/cm3的载流子浓度和400nm的膜厚度)、作为有源层222的具有600nm膜厚度的未掺杂(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P有源层、作为第二包覆层224的p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P包覆层(掺杂有Mg，并且具有2×1017/cm3的载流子浓度和500nm的膜厚度)、作为中间层230的p型Ga0.7In0.3P中间层(掺杂有Mg，并且具有6×1018/cm3的载流子浓度和20nm的膜厚度)、以及作为电流扩散层240的p型GaP电流扩散层(掺杂有Mg，并且具有2×1018/cm3的载流子浓度和8000nm的膜厚度)。如上所述，制造出根据示例1的发光元件的外延晶片。
进而，关于MOVPE生长的生长温度，n型GaAs缓冲层至p型Ga0.7In0.3P中间层的生长温度被设定为650摄氏度，而p型GaP电流扩散层的生长温度被设定为675摄氏度。此外，关于其他生长条件，生长压力被设定为6666.1Pa(50托)，并且多个复合半导体层中的每一层的生长速度被设定为从0.3nm/sec至1.5nm/sec。V/III比率被设定为大约150。然而，对于p型GaP电流扩散层的生长而言，V/III比率被设定为25。由于在第一实施例中已经说明了MOVPE生长中使用的材料等，因此不再赘述其细节。
这里，详细地说明反射部210。第一半导体层210a的AlAs层的厚度和反射部210中包括的多个成对的层的Al0.5Ga0.5As层的厚度分别被控制为由公式(1)和(2)计算出的厚度。即由(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P有源层发出的光的发光峰值波长“631nm”被用作λp，AlAs层的折射率“3.114”被用作nA，Al0.5Ga0.5As层的折射率“3.507”被用作nB，并且n型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P包覆层的折射率“3.127”被用作nIn。进而，在公式(1)和(2)中使用0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°和70°作为角度θ。
进而，特定成对的层中的AlAs层和Al0.5Ga0.5As层中的任一层都可具有在公式(1)和(2)中使用相同值的角度θ计算出来的厚度。尽管下面将会说明细节，反射部210包括至少一个角度θ为70°的成对的层以及至少两种不具有角度θ为70°的成对的层。例如，形成反射部210以包括具有角度θ为10°、40°和70°的三种成对的层。
特别的，通过改变公式(1)和(2)中θ的值，确定AlAs层和Al0.5Ga0.5As层的厚度以及成对的层的对数，以使反射部210的整体厚度变为大约1.0μm(示例1a)、1.5μm(示例1b)、2.0μm(示例1c)、3.0μm(示例1d)、4.0μm(示例1e)、5.0μm(示例1f)、6.0μm(示例1g)、7.0μm(示例1h)和8.0μm(示例1i)。表1示出了公式(1)和(2)中θ值、反射部210的厚度和成对的层的对数之间的关系。
表1
Figure BSA00000186798300161
进而，对于包括大约2.0μm厚度的反射部210的发光元件的外延晶片，制造另一个外延晶片(下面称为示例1j)，具有反射部210中包括的第一半导体层210a和第二半导体层210b的组成的外延晶片与示例1c中的外延晶片相同，但是层叠顺序正好与示例1c中的层叠顺序相反。
反射部210的组成
图4A是示意性地示出了根据本发明的示例1的发光元件中包括的反射部的简化结构的截面图，而图4B是示意性地示出了根据本发明的示例1的发光元件中包括的反射部的简化结构的反射光谱的曲线图。图5A是示意性地示出了具有0°DBR层的发光元件中包括的反射部的简化结构的截面图，而图5B是示意性地示出了具有0°DBR层的发光元件中包括的反射部的简化结构的反射光谱的曲线图。
如图4A所示，根据示例的发光元件中包括的反射部的简化结构包括在作为半导体衬底10的n型GaAs衬底上按顺序形成的70°DBR层、40°DBR层和0°DBR层。当测量到具有上述结构的反射部210的反射光谱时，如图4B所示，示出了反射部210能够反射具有各种波长的光。
另一方面，如图5A所示，根据比较例的发光元件中包括的反射部的简化结构包括在作为半导体衬底10的n型GaAs衬底上形成的三层0°DBR层。当测量到具有上述结构的反射部的反射光谱时，如图5B所示，示出了反射部主要地仅反射具有接近640nm峰值波长的光。
示例1c
这里，考虑反射部210具有大约2.0μm的厚度的情形，即示例1c的情形，作为示例，将会说明反射部210的结构。在表1中准确地示出了其他示例。
下面说明根据示例1c的反射部210的结构。即，首先，在n型GaAs缓冲层上形成两对成对的层(下文中称为70°DBR层)，这两对成对的层具有通过将θ设定为70°而由公式(1)、(2)计算出的厚度的AlAs层和Al0.5Ga0.5As层。接下来，在70°DBR层上形成一对成对的层(下文中称为60°DBR层)，这一对成对的层具有通过将θ设定为60°而由公式(1)、(2)计算出的厚度的AlAs层和Al0.5Ga0.5As层。在60°DBR层上形成一对成对的层(下文中称为50°DBR层)，这一对成对的层具有通过将θ设定为50°而由公式(1)、(2)计算出的厚度的AlAs层和Al0.5Ga0.5As层。
进而，在50°DBR层上形成两对成对的层(下文中称为30°DBR层)，这两对成对的层具有通过将θ设定为30°而由公式(1)、(2)计算出的厚度的AlAs层和Al0.5Ga0.5As层。在30°DBR层上形成六对成对的层(下文中称为20°DBR层)，这六对成对的层具有通过将θ设定为20°而由公式(1)、(2)计算出的厚度的AlAs层和Al0.5Ga0.5As层。
进而，在20°DBR层上形成三对成对的层(下文中称为10°DBR层)，这三对成对的层具有通过将θ设定为10°而由公式(1)、(2)计算出的厚度的AlAs层和Al0.5Ga0.5As层。在10°DBR层上形成一对成对的层(下文中称为0°DBR层)作为顶层，这一对成对的层具有通过将θ设定为0°而由公式(1)、(2)计算出的厚度的AlAs层和Al0.5Ga0.5As层。由此在n型GaAs缓冲层上形成如上所述的具有十六对成对的层的反射部210。
进而，根据示例1j的外延晶片还包括具有如下组成的反射部210，示例1j具有反射部210中包括第一半导体层210a和第二半导体层210b的结构，以使示例1j的发光元件的外延晶片与示例1c中的外延晶片相同，只是层叠顺序与示例1c中的层叠顺序相反。即包括在n型GaAs缓冲层之上的一对0°DBR层，在0°DBR层之上的三对10°DBR层，在10°DBR层之上的六对20°DBR层，在20°DBR层之上的两对30°DBR层，在30°DBR层之上的一对50°DBR层，在50°DBR层之上的一对60°DBR层，以及在60°DBR层之上的两对70°DBR层。由此，制造出根据示例1a至示例1j的十种外延晶片。
在MOVPE设备执行了上面制造出的十种发光元件的外延晶片之后，在外延晶片的表面(即，在外延晶片的上表面和电流扩散层240的表面之上)上分别形成具有直径为100μm的环形部和由从环形部的外边缘延伸的四个分支部的表面电极30，由此以矩阵状态将其排列。通过使用光刻方法形成表面电极30。即，在外延晶片的表面上涂覆光刻胶之后，通过使用掩模定位器的光刻方法在外延晶片的表面上形成掩模图案，该掩模图案在将要形成多个表面电极30的每一个区域处都具有开口。之后，通过使用真空沉积方法在开口处顺序地沉积40nm厚的AuBe、10nm厚的Ni、以及1000nm厚的Au。在沉积之后，通过剥离方法去除外延晶片上形成的掩模图案，由此在外延晶片的表面上形成表面电极30。
接下来，通过使用真空沉积方法在外延晶片的后表面(即，与形成表面电极30的表面相对的表面)的整个表面上形成后表面电极35。通过顺序地沉积60nm厚的AuBe、10nm厚的Ni、以及500nm厚的Au形成后表面电极35。在形成了表面电极30和后表面电极35之后，执行使电极形成合金的合金化处理。特别的，对形成有表面电极30和后表面电极35的外延晶片在氮气环境下以400摄氏度加热5分钟来执行上述处理。由此，制造出根据示例1a至1j的具有发光元件的电极的外延晶片。
随后，在除表面电极30之外的区域内对具有根据示例1a至1j的发光元件的电极的外延晶片的电流扩散层240的表面施加粗化处理。通过利用基于乙酸的蚀刻剂对电流扩散层240的表面的蚀刻来执行粗化处理。蚀刻时间被设定为30秒。
此外，还利用根据示例1a至1j的外延晶片来调查蚀刻时间和表面的凹凸之间的关系。在调查中所采用的蚀刻时间包括15秒、30秒、60秒和90秒。
图6是示意性地示出了在对示例1中使用的外延晶片施加粗化处理的过程中蚀刻时间和表面粗糙度(特别的，Ra和RMS)之间关系的曲线图，而图7是示意性地示出了在对示例1中使用的外延晶片施加粗化处理的过程中蚀刻时间和表面粗糙度(特别的，Ry)之间关系的曲线图。
参考图6，电流扩散层240的表面上形成的凹凸部250的平均表面粗糙度Ra是0.04至0.25μm，并且凹凸部250的平方平均粗糙度RMS是0.05至0.35μm。此外，参考图7，凹凸部250的最大高度Ry是1.4至2.6μm。
在外延晶片上形成了电极之后，通过方块切割设备切割出根据示例1a至1j的具有电极的每个外延晶片，以使表面电极30位于中心，并且制造出根据示例1a至1j的、具有275μm2的芯片大小的每个发光元件(下面被称为LED裸片)。利用Ag膏将LED裸片压模连接(die-bonded)到TO-18底座上。此外，利用Au引线将TO-18底座上安装的LED裸片的表面电极30线连接，从而制造出根据示例1a至1j的每一个发光元件。
表2示出了评估如上所述制造出的根据示例1a至1j的发光元件的初始特性的结果。进而，在评估中分别使用从靠近外延晶片的中心处所取的发光元件。进而，表2中的发光输出表示当施加20mA的电流时所获得的发光输出。
表2
 示例1   示例1a   示例1b   示例1c   示例1d   示例1e   示例1f   示例1g   示例1h   示例1i
 反射部210的厚度(nm)   1001   1435   1991   2972   3960   4922   5966   6960   7982
 发光输出(mW)   2.104   2.592   2.832   3.453   4.050   4.28   4.554   4.648   4.631
 前向电压(V)   1.874   1.875   1.876   1.875   1.879   1.880   1.879   1.879   1.880
 发光峰值波长(nm)   634.0   634.5   634.3   634.4   634.8   634.2   635.0   634.5   635.1
图8是示意性地示出了示例1a至1j中反射部的厚度和发光输出之间的关系的曲线图。这里，在图8中，正方形标记和三角形标记在某点处彼此不同，在该点处它们分别示出了彼此不同的实验周期(然而，对于制造发光元件而言使用了相同的制造设备)。即，通过正方形标记示出了在第一周期内制造的根据示例的发光元件的发光输出，而通过三角形标记示出了在不同于第一周期的第二周期内制造的根据示例的发光元件的发光输出。进而，在第一周期内，在相同的发光元件210的厚度轴上示出了多个发光输出(例如，反射部210的厚度是2000nm等的情形下)，但这是由于通过相同的设备在相同的周期内再生能力是确定的事实所导致的。进而，表2中示出的值都是具有代表性的值。
参考图8，其示出了随着反射部210的厚度的增加，根据示例1a至1j的发光元件的发光输出相应地提高。特别地，示出了在反射部210的厚度达到大约8000nm，即大约8μm之前，发光元件的发光输出始终是增加的。特别地，在反射部210的厚度达到大约6μm之前，发光输出快速地增加，并且当反射部210的厚度处在大约6μm和大约8μm之间时，发光输出进一步增加。进而，在下面给出的比较例中，当反射部210的厚度变得不小于2000nm，即大约2μm时，发光输出不再增加而达到饱和。
特别地，根据比较例的发光元件的发光输出大约是2.0mW，而根据示例1的发光元件的发光输出大约是2.1至4.6mW，结果，示出了能够制造根据示例1的发光元件，通过该发光元件所获得的发光输出不小于根据比较例的发光元件的发光输出的两倍。即示出了，在根据示例1的发光元件中，例如在根据示例1g至1i的发光元件中，可获得4.5mW等级的发光输出。此外，还示出了无论制造周期如何，可再生地获得4.5mW等级的发光输出。
进而确定的是，通过将粗化电流扩散层240的表面的蚀刻时间设置为15秒、30秒、60秒和90秒而制造出的发光元件的发光输出几乎与示例1的发光元件的发光输出相同。正因如此，当将蚀刻时间设定为15秒至90秒，平均粗糙度Ra为0.04μm至0.25μm，平方平均粗糙度RMS为0.05μm至0.35μm，并且最大高度Ry为1.4μm至2.6μm来粗化电流扩散层240的表面时，示出了能够获得类似于示例1中所获得的发光输出的发光输出。
此外，参考表2，无论反射部210的组成如何并且是否存在凹凸部250，峰值波长λp处在±1nm范围内，表2示出了都不存在任何问题。进而，关于前向电压Vf，也示出了不存在任何问题。
此外，对于根据示例1的发光元件，还执行了可靠性测试。特别地，在室温和50mA功率分布等条件下执行通电测试168小时来评估可靠性测试。作为可靠性测试的结果，在根据示例1的任意一个发光元件中，相对输出是96％至105％。通过公式(168小时功率分布之后的发光输出/初始发光输出)×100计算得到相对输出。因此，可以确定根据示例1的发光元件在可靠性方面与根据比较例的发光元件是可靠性的。进而，在50mA功率分布之前和之后，评估电流值都是20mA。
此外，根据示例1j的发光元件的发光输出是2.7775mW，其中发光元件具有与示例1c的反射部210的组成相反的组成，并且具有示例1c的发光输出的大约98％的发光输出。可以理解的是，上述2％的差值对于元件而言是变化的。根据示例1j的发光元件具有几乎与根据示例1c的发光元件相同的发光峰值波长、前向电压和可靠性。由此示出了，即使构成反射部210的成对的层的层叠顺序相反也不会产生任何问题。这是由于构成反射部210的材料是由对有源层222发出的光是透明的材料形成的事实所导致的。
示例2
作为根据示例2的发光元件，制造包括与根据示例1的发光元件的电流扩散层不同的电流扩散层的发光元件。除电流扩散层的组成之外，根据示例2的发光元件包括与示例1的发光元件几乎相同的组成和功能，因此除不同点之外不再赘述细节。
图9是示意性地示出了根据示例2的发光元件的截面图。
根据示例2的发光元件包括：半导体衬底10、半导体衬底10上设置的缓冲层200、缓冲层200上设置的反射部210、反射部210上设置的第一包覆层220、第一包覆层220上设置的有源层222、有源层222上设置的第二包覆层224、第二包覆层224上设置的中间层230、以及中间层230上设置的具有第一电流扩散层242和第二电流扩散层244的电流扩散层240。此外，发光元件1c还包括第二电流扩散层244，即凹凸部250上设置的表面电极30、以及在半导体衬底10的与反射部210相对的表面上设置的后表面电极35。
示例2中使用的反射部210具有2972nm的厚度并且具有和表1所示的示例1d的反射部210相同的组成。另一方面，形成电流扩散层240以具有第一电流扩散层242和第二电流扩散层244，并且两者具有彼此不同的载流子浓度(carrier density)或杂质浓度(impurity density)。在电流扩散层240的表面侧形成第二电流扩散层244，以使其载流子浓度或杂质浓度高于第一电流扩散层242的载流子浓度或杂质浓度。
在生长电流扩散层240，特别是生长第一电流扩散层242的情形下，Cp2Mg流速(Mg流速)被设定为68sccm，以使第一电流扩散层242的载流子浓度变为2×1018cm3。此外，针对与8000nm厚的电流扩散层240的最上方的2000nm相对应的部分(即，与第二电流扩散层244相对应的部分)，通过将Mg流速设定为在生长第一电流扩散层242的情形下的Mg流速的大约两倍(即，135sccM)，以使第二电流扩散层244的载流子浓度变为4×1018cm3。进而，优选的，第二电流扩散层244具有不小于1.0μm并且不大于3.0μm的厚度。
此外，在示例2中，在形成表面电极30之前，在第二电流扩散层244的表面上形成凹凸部250。在发光元件不具有示例1中的第二电流扩散层244的情形下，当在形成表面电极30之前在电流扩散层240的表面上形成凹凸部250时，前向电压提高。然而，在根据示例2的发光元件1c的情形下，由于其包括第二电流扩散层244，示出了发光元件1c具有与根据示例1c的发光元件几乎相同的LED特性。
示例3
作为根据示例3的发光元件，制造与根据示例1d的发光元件的反射部不同的反射部210。除反射部210的组成之外，根据示例3的发光元件包括与示例1d的发光元件几乎相同的组成和功能，因此除不同点之外不再赘述细节。
图10是示意性地示出了根据示例3的发光元件的发光部的截面图。
在根据示例3的发光元件的反射部210中，构成0°DBR层的第二半导体衬底210c是由对于有源层222发出的光是不透明的半导体材料GaAs形成的。特别地，根据示例3的发光元件的组成如下所示。即，形成有n型GaAs缓冲层上的两对0°DBR层(这两对0°DBR层是由基于GaAs的半导体形成的)、0°DBR层上的一对80°DBR层、80°DBR层上的三对70°DBR层、70°DBR层上的两对60°DBR层、60°DBR层上的两对50°DBR层、50°DBR层上的三对30°DBR层、30°DBR层上的五对20°DBR层、以及20°DBR层上的两对0°DBR层(这两对0°DBR层是由基于AlGaAs的半导体形成的)。此外，关于n型GaAs缓冲层上形成的两对0°DBR层，第二半导体衬底210c是由GaAs形成的。另一方面，与第一包覆层220接触的两对0°DBR层的第二半导体衬底210b是由Al0.5Ga0.5As层形成的。即，在根据示例3的发光元件中，形成各层以具有第一包覆层220/两对0°DBR层(在这方面，是由基于AlGaAs半导体形成的)/…/两对0°DBR层(在这方面，是由基于GaAs半导体形成的)/缓冲层200的结构。每个成对的层的第一半导体衬底210a和除0°DBR层之外的其他DBR层的第二半导体衬底210b都是由与示例1d相同的材料形成的。
根据示例3的发光元件的发光输出是3.63mW。即，与示例1d的发光元件的发光输出相比较，发光输出被提高了大约5％。进而，根据示例3的发光元件具有与根据示例1d的发光元件几乎相同的前向电压、发光波长和可靠性。
与根据示例1d的发光元件相比较，提高了根据示例3的发光元件的发光输出。这是由于由AlAs形成的反射部210的第一半导体衬底210a的折射率与由GaAs形成的第二半导体衬底210c的折射率之间的折射率的差大于由AlAs形成的第一半导体衬底210a的折射率与由Al0.5Ga0.5As形成的第二半导体衬底210b的折射率之间的折射率的差所造成的，由此提高了反射部210的反射系数。进而，由GaAs形成的层吸收从有源层222发出的光。因此，如果反射部210的所有的第二半导体衬底都是由GaAs形成的，则会降低发光元件的发光输出。因此，优选地，在反射部210的底层上形成由GaAs形成的层，即在最远离有源层222的位置处形成成对的层。这是由于如下的事实造成的，即如果不增加反射部210中包括的成对的层的对数，则在反射部210的底层处，与降低光吸收的考虑相比较，增加折射率的考虑会提供更大的增大发光输出的效应。
比较例1
图11是示意性地示出了根据比较例1的发光元件的发光部的截面图，并且图12是示意性地示出了由于比较例1的反射部的厚度差所导致的发光输出的变化的曲线图。
除反射部212等的组成之外，根据比较例1的发光元件包括几乎与示例1的发光元件相同的组合和功能，因此除与根据示例1的发光元件的不同点之外不再赘述细节。
根据比较例1的发光元件的反射部212具有多个由作为第一半导体层的AlAs层和作为第二半导体层的Al0.5Ga0.5As层形成的成对的层。在比较例1中，第一半导体层的厚度和第二半导体层的厚度被控制为具有由公式λp/4n计算得到的厚度。这里，λp是从有源层222发出的光的发光峰值波长并且n是第一半导体层或第二半导体层的折射率。
特别的，由于发光峰值波长是631nm，根据比较例的作为第一半导体层的AlAs层的厚度TA被计算作为TA＝631/(4×3.114)＝50.7nm，其中，3.114表示AlAs层的折射率。此外，根据比较例的作为第二半导体层的Al0.5Ga0.5As层的厚度TB被计算作为TB＝631/(4×3.507)＝45.0nm，其中，3.507表示Al0.5Ga0.5As层的折射率。结果，制造出根据比较例1的发光元件以使其包括由具有如上所述的厚度的第一半导体层和第二半导体层形成的成对的层的反射部212。
此外，还可制造出反射部212中包括的成对的层的对数的不同变化的发光元件。特别的，如果反射部212中包括的成对的层的个数变为不小于20，则根据比较例1的发光元件的发光输出变为饱和，以便制造出反射部212中包括的成对的层的对数分别被设定为15对、18对、20对和30对的发光元件。表3和图12示出了评估根据比较例1的发光元件的特性的结果。
表3
  反射部210的厚度(nm)   成对的层的对数   发光输出(nW)
  1436   15   2.210
  1723   18   2.235
  1915   20   2.242
  2871   30   2.249
图12是示意性地示出了根据比较例1的反射部的厚度和发光输出之间的关系的曲线图。特别地，图12同时示出了与根据比较例1的发光元件(此时调查的发光元件)相同的先前调查结果。在图12中，正方形标记示出了先前调查的结果而环形标记示出了此时调查的结果。
从表3和图12中可以看出，如果反射部212的成对的层的对数不小于15，则发光输出出现了饱和趋势；如果对数不小于18，发光输出的提高仅处在变化范围之内，即不大于1％。即示出了，如果厚度大约为1.7μm并且成对的层的对数大约为18，则根据比较例1的发光元件的反射部212不能期望获得发光输出的提高。参考根据比较例1的发光元件此时的调查结果和与根据比较例1的发光元件相同的发光元件的先前调查结果，示出了发光输出的饱和趋势是可再生的。
在比较例1中，在电流扩散层240的表面上没有形成凹凸部250。随后，从包括2871nm厚度的反射部210的发光元件制造样品，由此在电流扩散层240的表面上形成凹凸部250，并且评估样品的LED特性。表4示出了结果。
表4
  表面粗化处理时间(sec)   0   15   30   60
  发光输出(mW)   2.249   2.042   2.043   2.068
  与表面粗化处理时间是0sec的情形的比较(％)   100   90.8   90.8   92.0
不包括凹凸部250的发光元件的发光输出是2.249mW。此外，还示出了，与不包括凹凸部250的发光元件相比，在对电流扩散层240的表面施加了粗化处理的发光元件中发光输出降低了大约10％。即，在比较例1中确定的是，如果粗化了电流扩散层240的表面，则会降低发光输出，为了增加发光输出则需要在示例中所说明的发光元件的组成。进而，当评估具有凹凸部250的根据比较例1的发光元件的凹凸大小时，Ra、RMS和Ry中的任一个都几乎与示例1中的Ra、RMS和Ry相同。即确定的是，由于凹凸部250等的变化而造成发光输出不会被降低。
尽管已经参考特定实施例对本发明作出完整和清楚的披露，但是所附的权利要求并不局限于此，而是应当被理解包括落入权利要求所教示的基本教示范围之内的对于本领域技术人员而言可以想到的所有变形例和可选例。

Claims (10)

1.一种发光元件，包括：
半导体衬底；
发光部，具有第一传导类型的第一包覆层、传导类型不同于第一传导类型的第二传导类型的第二包覆层以及夹在第一包覆层和第二包覆层之间的有源层；
反射部，用于反射从有源层发出的光，所述反射部设置在半导体衬底和发光部之间并且具有1.7μm至8.0μm的厚度；以及
电流扩散层，设置在发光部的与反射部相对的一侧上，并且在电流扩散层表面上具有凹凸部，其中形成反射部以具有至少三个成对的层，所述成对的层是由第一半导体层和不同于第一半导体层的第二半导体层形成的，
当从有源层发出的光的峰值波长是λP、第一半导体层的折射率是nA、第二半导体层的折射率是nB、第一包覆层的折射率是nIn并且第二半导体层上光的入射角是θ时，第一半导体层具有由公式(1)限定的厚度TA，
第二半导体层具有由公式(2)限定的厚度TB，和
当公式(1)和(2)中光的入射角θ的值对于每个成对的层彼此不同时，反射部的多对成对的层相应地具有彼此不同的厚度，并且至少一个成对的层包括由不小于50度的光的入射角θ限定的第一半导体层和第二半导体层，
T A = λ P 4 n A 1 - ( n In sin θ n A ) 2 . . . . . . ( 1 )
T B = λ P 4 n B 1 - ( n In sin θ n B ) 2 . . . . . . ( 2 ) .
2.根据权利要求1所述的发光元件，其中，反射部具有不少于15对成对的层。
3.根据权利要求2所述的发光元件，其中，成对的层包括具有不小于1.5倍λp/4nA的厚度TA的第一半导体层和不小于1.5倍λp/4nB的厚度TB的第二半导体层。
4.根据权利要求3所述的发光元件，其中，第一半导体层是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，而第二半导体层是由AlyGa1-yAs形成的，其中0≤y≤1，并且所述第二半导体层具有与第一半导体层的折射率不同的折射率。
5.根据权利要求4所述的发光元件，其中，位于半导体衬底的一侧的反射部的第一成对的层或第一和第二成对的层处的第一半导体层是由AlAs形成的，
位于半导体衬底的一侧的反射部的第一成对的层或第一和第二成对的层处的第二半导体层是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，并且具有小于构成有源层的半导体的带隙能量，或是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，并且对于从有源层发出的光是不透明的，并且
位于半导体衬底的一侧的反射部的第三成对的层或后续的成对的层处的第一半导体层和第二半导体层是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，并且对于从有源层发出的光是透明的。
6.根据权利要求3所述的发光元件，其中，第一半导体层和第二半导体层是由(AlxGa1-x)yIn1-yP形成的，其中0≤x≤1，0.4≤y≤0.6，并且具有彼此不同的折射率。
7.根据权利要求3所述的发光元件，其中，第一半导体层是由(AlxGa1-x)yIn1-yP形成的，其中0≤x≤1，0.4≤y≤0.6，而第二半导体层是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，或是，第一半导体层是由AlxGa1-xAs形成的，其中0≤x≤1，而第二半导体层是由(AlxGa1-x)yIn1-yP形成的，其中0≤x≤1，0.4≤y≤0.6。
8.根据权利要求1所述的发光元件，其中，电流扩散层包括具有彼此不同的载流子浓度或杂质浓度的第一电流扩散层和第二电流扩散层，
在电流扩散层的表面侧形成第二电流扩散层，以使第二电流扩散层的载流子浓度或杂质浓度高于第一电流扩散层的载流子浓度或杂质浓度。
9.根据权利要求1所述的发光元件，进一步包括：
表面电极，形成在电流扩散层的表面上；以及
出光层，形成在电流扩散层的除形成有表面电极的区域之外的表面上，从而由对于有源层发出的光透明的并且具有处在构成电流扩散层的半导体和空气之间的中间等级的折射率的材料形成。
10.根据权利要求9所述的发光元件，其中，当有源层发出的光的波长是λP，构成出光层的材料的折射率是n，并且A是常数时，出光层具有由公式A×λP/(4×n)限定的值的±30％范围内的厚度d，其中A是奇数。
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